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DE19505617A1 - Quartz glass with good UV light absorbing properties - Google Patents

Quartz glass with good UV light absorbing properties

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Abstract

A quartz glass consists of at least 99.5% silicon dioxide with 1000-3000 ppm cerium dioxide and 30-300 ppm vanadium oxide.

Description

Die Erfindung betrifft ein ultraviolettes Licht ab­ sorbierendes Quarzglas, bestehend aus mindestens 99,5% Siliciumdioxid.The invention relates to an ultraviolet light sorbent quartz glass, consisting of at least 99.5% silicon dioxide.

Quarzglas wird vorzugsweise für Hüllkolben in Lichtquellen benötigt. Moderne Lichtquellen, wie beispielsweise Entladungslampen und Halogenglühlam­ pen, strahlen neben dem sichtbaren Licht auch einen bestimmten Anteil ultraviolettes Licht aus. Ultra­ violettes Licht kann für Menschen und seine Umwelt Schäden verursachen.Quartz glass is preferred for enveloping flasks in Light sources needed. Modern light sources like for example, discharge lamps and halogen light bulbs besides the visible light, they also radiate one certain proportion of ultraviolet light. Ultra Violet light can affect people and their environment Cause damage.

Man ist daher bemüht Lichtquellen herzustellen, die keine schädlichen UV-Strahlen emittieren. Bisher wurde reines Quarzglas für die thermisch hochbela­ steten Lichtquellen als Hüllkolben verwendet. Die­ ses Material ist bis ca. 1.000°c stabil, besitzt jedoch den Nachteil, daß es im UV-Spektrum lichtdurchlässig ist.One is therefore trying to produce light sources that do not emit harmful UV rays. So far was pure quartz glass for the thermally high load constant light sources used as envelope bulbs. The This material is stable up to approx. 1,000 ° C however, the disadvantage that it is in the UV spectrum is translucent.

Zur Lösung dieses Problems ist es im Stand der Technik bekannt, für die Lichtquellenherstellung ein spezielles Quarzglas zu verwenden, das im UV- Spektrum undurchlässig ist.To solve this problem it is in the state of the art Technology known for light source manufacturing to use a special quartz glass that is UV Spectrum is impermeable.

Das US-Patent 5,196,759 sowie die europäische Pa­ tentanmeldung 0 558 270 A1 beschreiben solche Pro­ blemlösungen, wobei ein UV-absorbierendes Quarzglas verwendet wird. Das Quarzglas erhält dabei seine UV-absorbierende Eigenschaft dadurch, daß es Ti­ tanoxid und Ceroxid in bestimmten Mengen enthält. U.S. Patent 5,196,759 and European Pa tent registration 0 558 270 A1 describe such pro blemlösungen, being a UV-absorbing quartz glass is used. The quartz glass gets its UV-absorbing property in that it is Ti Contains tan oxide and cerium oxide in certain amounts.  

Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß die­ ses Glas im Spektralbereich von 250 bis 300 nm noch eine gewisse Lichtdurchlässigkeit besitzt und somit die besonders schädlichen UV-C-Strahlen aus der Lichtquelle austreten können. Vom Russischen Staat­ lichen Wissenschaftlichen Institut für Quarzglas wurde die farblose Quarzglasmarke KLB 4 mit ent­ sprechenden UV-Schutzeigenschaften entwickelt, die auf dem gleichen Prinzip der Ce-Ti-Dotierung be­ ruht.The disadvantage of this solution is that the glass in the spectral range from 250 to 300 nm has a certain translucency and thus the particularly harmful UV-C rays from the Light source can escape. From the Russian state Scientific Institute for Quartz Glass the colorless quartz glass brand KLB 4 with ent speaking UV protective properties developed be on the same principle of Ce-Ti doping rests.

Der Einfluß von Spurenelementen auf die Absorp­ tionseigenschaften des Quarzglases wurde in der Fachliteratur bereits ausführlich dargestellt. Dort ist beschrieben, daß sich Zer in den beiden Valenz­ zuständen Ce4+ und Ce3+ im Quarzglas befindet und zu einer breiten Absorptionsbande bei der Wellen­ länge von 320 nm führt. Titan befindet sich im Zu­ stand Ti4+ und bewirkt eine Absorptionsbande bei 204 nm. Die gemeinsame Dotierung beider Elemente führt zu einer Addition der Absorptionsspektren. Zwischen den Absorptionen dieser beiden Elemente befindet sich ein Wellenlängenbereich, in dem die UV-Absorption für Licht der Wellenlängen von 250 bis 300 nm gering ist. Dieses Fenster ist im US-Pa­ tent 5,196,759 verdeutlicht.The influence of trace elements on the absorption properties of quartz glass has already been described in detail in the specialist literature. There it is described that Zer is in the two valence states Ce 4+ and Ce 3+ in the quartz glass and leads to a broad absorption band at the wavelength of 320 nm. Titan is in the Ti 4+ state and causes an absorption band at 204 nm. The common doping of both elements leads to an addition of the absorption spectra. Between the absorptions of these two elements there is a wavelength range in which the UV absorption for light of the wavelengths from 250 to 300 nm is low. This window is illustrated in US Pat. No. 5,196,759.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Quarzglas anzugeben, bei dem die Sperrwirkung im ultravioletten Spektralbereich wesentlich verbes­ sert wird. The invention has for its object a new Specify quartz glass, where the barrier effect in ultraviolet spectral range much better sert.  

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Quarzglas neben Ceroxid geringe Mengen Va­ nadiumpentoxid enthält, vorzugsweise in einer Menge von 0,15. . .0,2 Masse-% Ceroxid und 75 Masse ppm Vanadiumpentoxid.According to the invention, the object is achieved by that the quartz glass in addition to cerium oxide, small amounts of Va Contains pentoxide, preferably in an amount of 0.15. . .0.2 mass% cerium oxide and 75 mass ppm Vanadium pentoxide.

Der Vorteil des Quarzglases mit Vanadiumdotierung besteht darin, daß es eine hohe durchgehende UV-Ab­ sorption im Wellenlängenbereich 200 . . . 340 nm be­ sitzt. Der wesentliche Nachteil dieses dotierten Quarzglases besteht jedoch darin, daß das Glas einen bläulichen bis blauen Farbton besitzt.The advantage of quartz glass with vanadium doping is that there is a high continuous UV-Ab sorption in the wavelength range 200. . . 340 nm sits. The main disadvantage of this endowed Quartz glass, however, is that the glass has a bluish to blue hue.

Überraschenderweise wurde jedoch gefunden, daß durch eine Kombination Cer-Vanadium in bestimmten Anteilen die Lichtdurchlässigkeit im sichtbaren Be­ reich des Spektrums wesentlich verbessert wird. Ein farbloses Quarzglas entsteht durch Schmelzen von Quarzgranulat mit einer bestimmten Anteilskombina­ tion Cer-Vanadium. Dadurch liegt im Quarzglas kein Vanadium im Valenzzustand V3+ vor, sondern es bil­ det sich Vanadium als V5+, wodurch die Farblosig­ keit des Quarzglases gewährleistet ist.Surprisingly, however, it was found that a certain proportion of the cerium-vanadium combination significantly improves the light transmission in the visible range of the spectrum. A colorless quartz glass is created by melting quartz granules with a certain combination of cerium and vanadium. As a result, there is no vanadium in the valence state V 3+ in the quartz glass, but vanadium is formed as V 5+ , which ensures that the quartz glass is colorless.

Vanadium kann im Quarzglas verschiedene Valenzzu­ stände einnehmen, die zu unterschiedlichen Absorp­ tionen führen. Eine Quarzschmelze, deren Quarzgra­ nulat mit Vanadiumverbindungen dotiert ist, führt stets zu einem Quarzglas, das einen mehr oder weni­ ger blauen Farbton besitzt. Der Farbton wird von einer Absorption bei 725 nm hervorgerufen, die durch V3+ verursacht wird. Die Entstehung von V3+ ist auch durch Schmelzen von Quarzglas in neutraler Atmosphäre nicht zu verhindern. Vanadium can have different valence states in the quartz glass, which lead to different absorptions. A quartz melt, the quartz granulate of which is doped with vanadium compounds, always leads to a quartz glass that has a more or less blue color. The hue is caused by absorption at 725 nm caused by V 3+ . The formation of V 3+ cannot be prevented even by melting quartz glass in a neutral atmosphere.

Das Schmelzen in neutraler Atmosphäre von Quarzgra­ nulat, dem Ceroxid und Spuren von Vanadiumpentoxid dotiert sind, führt zu einem Quarzglas, das keine Absorption bei 725 nm besitzt und im gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich eine gute Licht­ durchlässigkeit aufweist. Im ultravioletten Spek­ tralbereich weist dieses Glas eine Absorptionskante auf, die derjenigen entspricht, welche bisher durch den Ceroxidgehalt definiert ist. Im gesamten kurz­ welligen Teil des UV-Spektrums wird das Licht sehr effektiv durch Vanadium absorbiert, das sich aus­ schließlich im Zustand V5+ befindet. Ein licht­ durchlässiges Fenster im UV-Bereich ist nicht fest­ stellbar.Melting in a neutral atmosphere of quartz granulate, which is doped with cerium oxide and traces of vanadium pentoxide, leads to quartz glass that has no absorption at 725 nm and has good light transmission in the entire visible wavelength range. In the ultraviolet spectral range, this glass has an absorption edge which corresponds to that which was previously defined by the cerium oxide content. In the entire short-waved part of the UV spectrum, the light is very effectively absorbed by vanadium, which is finally in the V 5+ state. A translucent window in the UV range cannot be determined.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Beispiel zur Herstellung des Quarzglases näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt Fig. 1 die Trans­ missionskurve für das erfindungsgemäße Quarzglas.The invention is explained in more detail below using an example for the production of the quartz glass. In the accompanying drawings Fig. 1 shows the trans-mission curve for the inventive silica.

Quarzgranulat mit einer Körnung von 0,1-0,3 mm wird in einer Menge von 120 kg intensiv mit feinstge­ mahlenem Ceroxid in einer Menge von 216 g und mit feinstgemahlenem Vanadiumpentoxid einer Menge von 9 g vermischt. Die Dotanten werden durch das Fein­ mahlen auf Korngrößen gebracht, die nach dem Ver­ mischen mit dem Granulat sicherstellen, daß auf ein Quarzkorn etwa je ein Korn der Dotanten kommt. Das dotierte Granulat wird in einem Lichtbogenofen bei Temperaturen von über 2000°C unter reiner Argon­ atmosphäre eingeschmolzen. Durch den Schmelzvorgang entsteht ein Schmelzling in Form eines Hohlzylin­ ders (Rohrform) mit einer Länge von 2 m und einem Innendurchmesser von 150 mm. Durch mechanische Be­ arbeitung ist aus dem Schmelzling ein Mutterrohr herstellbar, das nach üblichen werkzeugfreien Zieh­ verfahren zu Rohren für die Lichtquellenherstellung umgeformt wird.Quartz granules with a grain size of 0.1-0.3 mm in an amount of 120 kg intensive with finest ground cerium oxide in an amount of 216 g and with finely ground vanadium pentoxide in an amount of 9 g mixed. The dopants become fine grinding brought to grain sizes, which after Ver mix with the granules make sure that on a Quartz grain comes about one grain each of the dopants. The doped granules are placed in an electric arc furnace Temperatures of over 2000 ° C under pure argon atmosphere melted down. Through the melting process creates a fusion in the form of a hollow cylin ders (tubular shape) with a length of 2 m and one  Inner diameter of 150 mm. By mechanical loading Work is made from a mother tube producible according to the usual tool-free drawing process for tubes for light source production is reshaped.

Die so hergestellten Rohen sind für Halogenglühlam­ pen und Entlandungsglühlampen geeignet, da sie die in Fig. 1 dargestellte Transmissionskurve aufwei­ sen. Die Analyse des Quarzglases weist einen Zer­ oxidgehalt von 1800 Masse ppm und einen Vanadium­ pentoxidgehalt von 75 Masse ppm nach.The tubes thus produced are suitable for Halogenglühlam pen and incandescent lamps, since they have the transmission curve shown in FIG. 1. The analysis of the quartz glass shows a cerium oxide content of 1800 mass ppm and a vanadium pentoxide content of 75 mass ppm.

Claims (5)

1. Ultraviolettes Licht absorbierendes Quarzglas, bestehend aus mindestens 99,5% Siliciumdioxid, da­ durch gekennzeichnet, daß zusätzlich Cerdioxid im Bereich von 1000 ppm bis 3000 ppm und/oder gleich­ zeitig Vanadiumoxid im Bereich von 30 bis 300 ppm enthalten sind.1. Ultraviolet light absorbing quartz glass, consisting of at least 99.5% silicon dioxide, characterized in that it additionally contains cerium dioxide in the range from 1000 ppm to 3000 ppm and / or at the same time vanadium oxide in the range from 30 to 300 ppm. 2. Quarzglas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß es bis zu Temperaturen von 950°C stabil ist.2. quartz glass according to claim 1, characterized net that it is stable up to temperatures of 950 ° C is. 3. Quarzglas nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es für Lichtstrahlung im sichtba­ ren durchlässig ist und im ultravioletten Strah­ lungsbereich undurchlässig gemäß der Transmissions­ hüllkurve nach Fig. 1 ist.3. quartz glass according to claim 1 or 2, characterized in that it is transparent to light radiation in the visa ren and opaque in the ultraviolet radiation range according to the transmission envelope curve according to FIG. 1. 4. Quarzglas nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Absorptionskante im Bereich von 340 bis 380 nm durch Variation der Dotanten einstellbar ist.4. quartz glass according to claim 3, characterized net that the absorption edge in the range of 340 adjustable up to 380 nm by varying the dopants is. 5. Quarzglas nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß es für Halogenglühlampen und Entlandungslampen geeignet ist.5. quartz glass according to one of claims 1 to 4, there characterized in that it is for halogen bulbs and discharge lamps is suitable.
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